基于ARM Cortex-M3的汽車搖窗電機綜合性能測試系統(tǒng)

包佳東，韓 強

（東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，我國機動車的數(shù)量也在逐年遞增，并且汽車上較普遍地采用了電動搖窗系統(tǒng)，以實現(xiàn)搖窗玻璃的電動升降，提高汽車的舒適性、方便性和安全性。故此作為電動車窗升降器核心的搖窗電機，其市場需求量也越來越大。電動車窗升降器的好壞很大程度上取決于搖窗電機的性能，因此搖窗電機的性能測試必不可缺。

搖窗電機是一種渦輪蝸桿減速直流電機，需測試的性能繁多，其中有機械特性、起動性能、齒間隙、自鎖性能、反向起動、轉(zhuǎn)速同步性、耐久性等。為了實現(xiàn)高效、便捷的自動化測試，在此提出了一種搖窗電機性能測控方案。該測試系統(tǒng)能夠滿足搖窗電機多項性能測試，具有一定的工業(yè)應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 主要技術(shù)指標

—搖窗電機電流為0～30 A，精度誤差為±0.2%FS（full scale，滿量程）；

—搖窗電機供電電壓為0～30 V，精度誤差為±0.3%FS；

—旋轉(zhuǎn)角度的精度誤差為±0.02%FS；

—搖窗電機轉(zhuǎn)速為0～200 r/min；精度誤差為±0.25%FS；

—負載轉(zhuǎn)矩為-20～20N·m，精度誤差為±0.2%FS。

1.2 系統(tǒng)組成

搖窗電機性能測試系統(tǒng)需要檢測電機的多項性能，系統(tǒng)組成如圖1所示，由PC，恒溫箱、嵌入式測控單元、搖窗電機電源、搖窗電機、各類傳感器、負載、負載驅(qū)動器、正反轉(zhuǎn)控制模塊等組成。如實現(xiàn)多臺搖窗電機的耐久測試，則需在CAN總線和RS485并聯(lián)相同的設(shè)備過程。

測試過程中，需要檢測電流、電壓、角度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，圖中各類傳感器主要包括霍爾電流傳感器、絕對式光電編碼器、扭矩傳感器、霍爾非接觸式開關(guān)。

PC通過RS232或者RS485實現(xiàn)對搖窗電機供電電源（單臺用 RS232，多臺用 RS485），用 RS485對恒溫箱溫濕度進行讀寫。搖窗電機采用AN50400SV1型號電源，其輸出電壓為0～35 V，電流為0～50 A，具有最大4 V的引線壓降補償。因為正常搖窗電機在12 V供電下，堵轉(zhuǎn)最大電流為20～30 A，線損電壓非常嚴重，會明顯影響搖窗電機的測試情況。

對比磁粉離合器在空載的測試中會產(chǎn)生過大的空載力矩，而且在搖窗電機齒間隙和自鎖測試中，需要把負載切換成主動驅(qū)動電機來使用。為避免機械裝置的拆卸，負載采用力矩電機，其具有低速運行特性穩(wěn)定，反應(yīng)速度快，線性度好等優(yōu)點[1]。

在測試過程中，需要對電機正反轉(zhuǎn)進行測試。由于正反轉(zhuǎn)切換頻繁，為保證正反切換壽命，采用了LSD-50P75FID2型全隔離直流電機正反轉(zhuǎn)控制模塊，其使用壽命長，導(dǎo)通壓降小，有短路和過載保護功能，能很好保證測試需求。

2 硬件設(shè)計

2.1 嵌入式測控板總體設(shè)計

嵌入式測控板的主要功能是對各類傳感器進行數(shù)據(jù)采集，對負載驅(qū)動器和正反轉(zhuǎn)控制模塊控制以及信息通訊。其設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 嵌入式結(jié)構(gòu)控制框圖Fig.2 Embedded structure control block diagram

測控板以STM32F103ZET6作為主控芯片，分別由A/D模塊、DI模塊、DO模塊、SSI采集模塊、RS232和CAN通訊模塊、高速計數(shù)模塊組成。

2.2 DO/DI模塊

DO模塊用于控制正反轉(zhuǎn)控制模塊的信號通斷，實現(xiàn)對搖窗電機正反轉(zhuǎn)的隔離控制；DI模塊用來接受固定位置的霍爾行程開關(guān)信號。其模塊電路如圖3所示。

圖3 DO/DI模塊電路Fig.3 DO/DI module circuit

因MCU的I/O端口的驅(qū)動能力不夠，一般需要光耦合器來實現(xiàn)電氣隔離和功率放大[2]。其中，為了保護主控芯片，在DO模塊與MCU接入74HC245芯片，不僅添加了緩沖器，又可增強MCU引腳的驅(qū)動能力。DI模塊與MCU用2個74HC14施密特觸發(fā)器連接，其不僅作為電平轉(zhuǎn)換單元，亦能起到防抖濾波的作用。

2.3 電流/電壓檢測

為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，模擬信號在送至A/D轉(zhuǎn)換之前，需要進行適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理，其中采用運算放大器，以提高電路的輸入阻抗能力。電流信號采集采用TBC25D的霍爾電流傳感器，該元件具有線性好，精準度高，不損耗被測電路能量，頻帶寬，可以測直流、交流脈沖電流等一系列優(yōu)點[3]，其電路如圖4所示。

圖4 電流采集及信號調(diào)理Fig.4 Current acquisition and signal conditioning circuit

為保證的檢測電路的高分辨，A/D轉(zhuǎn)化電路選用通道同步采樣芯片MAX125作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。MAX125是2×4通道14位同步采樣轉(zhuǎn)換芯片，每個通道轉(zhuǎn)換時間僅為3 μs，可實現(xiàn)2×4通道同時采樣。單通道工作時采樣速率可達250 kS/s（千次采樣每秒），雙通道工作時采樣速率可達142 kS/s，三通道工作時同步采樣速率可達100 kS/s，四通道工作時同步采樣速率可達76 kS/s[4-5]。

2.4 高速計數(shù)模塊

扭矩檢測由型號為JN338-20AE的智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。該扭矩檢測的原理是采用應(yīng)變電測原理，當(dāng)應(yīng)變軸受扭力影響產(chǎn)生微小變形后，粘貼在應(yīng)變軸上的應(yīng)變片阻值發(fā)生相應(yīng)變化，將具有相同應(yīng)變特性的應(yīng)變片組成測量電橋，應(yīng)變電阻的變化即可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓痆6]。

由于扭矩傳感器的扭矩信號是周期性幅值為±5 V方波，測得的扭矩與方波頻率存在正比關(guān)系，其中隨著扭矩正向增大，其脈沖頻率會變大，而扭矩反向增大，脈沖頻率會變小。由于脈沖頻率的范圍在（5～15）kHz。 在圖 5 所示電路中，通過 6N137 高速光耦再經(jīng)2個74HC14施密特觸發(fā)器反相器對信號處理，然后傳到MCU。

圖5 高速計數(shù)電路Fig.5 High speed counter circuit

圖6 SSI208P硬件連接Fig.6 SSI208P hardware connection

2.5 SSI模塊

角度傳感器采用AFS60A型18位絕對式編碼器。MCU通過SSI208P并行接口模塊與編碼器，實現(xiàn)SSI高速通訊，如圖6所示。其中，SSI208P接口轉(zhuǎn)換模塊將同步串行接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并行數(shù)據(jù)，其內(nèi)部集成SSI同步時鐘發(fā)生器、脈沖計數(shù)器、數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換、接口控制邏輯、輸出控制以及收發(fā)驅(qū)動器（TTL-RS422電平轉(zhuǎn)換）等功能單元，通過該模塊將至多32位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為4個8位并行數(shù)據(jù)[7]。

該模塊D0—D7作為數(shù)據(jù)總線；START，END，CS，A0，A1 作為控制總線，其中以 A0，A1 的電平變化來選擇高低的4組8位數(shù)據(jù)。

通過CLKMD1和CLKMD2外接電平進行通信速率配置，00 為 250kHz，01 為 500kHz，10 為1 MHz，11 為 2 MHz。

2.6 通訊模塊

嵌入式測控板帶有2個通訊模塊，一個是RS232模塊，另一個是CAN模塊。其中，RS232模塊主要用于對負載電機驅(qū)動器的通訊控制，CAN模塊用于與PC進行通訊。其電路如圖7所示。

由于在實際測試中，有些電機測試項目需要穩(wěn)定的實時性，在保證CAN高速通信速率上，需要在CAN模塊需要并聯(lián)120 Ω的終端電阻來作為阻抗匹配，以減少回波反射[8]。

圖7 RS232&CAN電路Fig.7 RS232&CAN circuit

3 軟件設(shè)計

該測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由主程序、定時程序、AD采集子程序、輸入捕獲中斷程序、SSI子程序、通訊子程序等組成。

程序設(shè)計在Keil uVision集成開發(fā)環(huán)境進行標準C語言開發(fā)。主程序包括對系統(tǒng)時鐘配置、各個模塊的初始化。主程序的主要內(nèi)容是對于霍爾開關(guān)的信號采集，用來標記當(dāng)引腳電平的下降沿，其他模塊程序都寫在中斷服務(wù)程序中。該測試板的控制流程受PC的指令進行操作如圖8所示。MCU根據(jù)接受CAN通訊數(shù)據(jù)進行判斷，執(zhí)行應(yīng)用層協(xié)議中的功能操作，并進行消息反饋。

圖8 測試板程序控制實現(xiàn)Fig.8 Test board program control implementation

通過該程序框架進行編寫，易于在PC上進行二次開發(fā)，搖窗電機多項性能測試項目可以根據(jù)實際的需求進行程序流程控制。

4 試驗結(jié)果

基于該測控板開發(fā)的上位機測試，由于搖窗電機其性能測試繁多，受篇幅所限，僅以機械特性和起動性能測試為例，性能顯示界面如圖9，10所示。

圖9 搖窗電機機械特性顯示界面Fig.9 Mechanical characteristic display interface of window lifter motor

圖10 搖窗電機起動性能顯示界面Fig.10 Starting performance display interface of window lifter motor

機械特性是指搖窗電機在固定電壓下，隨著外部負載扭矩增加下的轉(zhuǎn)速和電流關(guān)系。起動性能是指上電瞬間的電機電流、轉(zhuǎn)速需要到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)動需要的時間。測試情況如圖所示，可見該搖窗電機綜合性能測試測試系統(tǒng)設(shè)計可行，并能滿足搖窗電機生產(chǎn)過程中測試需求。

5 結(jié)語

所設(shè)計的搖窗電機性能測試系統(tǒng)，程序模塊化，易在此基礎(chǔ)上開發(fā)多變的測試流程，便于進行二次開發(fā)。通過PC與下位機的控制策略，能很好的保證搖窗電機的測試過程，提高了搖窗電機各類測試的效率。在實際運用中，能到達“一平臺，多應(yīng)用”的設(shè)計目標。應(yīng)用軟件采用模塊化程序設(shè)計，降低了開發(fā)難度，由于一定意義上的通用性、可維護、模塊化等特點。實際應(yīng)用表明系統(tǒng)具有可靠性好、穩(wěn)定性能好的特點。

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